国际团队研发新型电光频率梳集成设计
近日,一个由洛桑联邦理工学院(EPFL)、科罗拉多矿业学院和中国科学院的研究人员组成的国际团队在电光(EO)频率梳领域取得重要突破。该团队在TobiasJ.Kippenberg教授的带领下,成功研发了一种新的EO频率梳集成设计,显著扩展了频率梳的带宽并降低了其微波功率要求。这一成果有望在机器人、环境传感、光谱学、天文学等多个领域发挥重要作用。

一、创新设计与技术原理
该团队使用集成三重谐振架构创建了EO梳状发生器。该架构包含三个相互作用的场——两个光场和一个微波场,它们共同产生共振。研究人员在低双折射材料薄膜钽酸锂(LiTaO3)平台上将单片微波集成电路与光子集成电路(PIC)相结合,通过在基于LiTaO3的PIC上嵌入分布式共面波导谐振器,显著提高了微波限制和能量效率,将微波功率要求降低了近20倍。
传统上,铌酸锂(LiNbO3)被用于实现EO频率梳,但其具有有限的光谱覆盖范围,因为驱动非谐振电容电极所需的微波功率很大,并且LiNbO3具有很强的固有双折射,限制了梳子可实现的带宽。而LiTaO3的固有双折射比LiNbO3低17倍。通过采用集成三重谐振方法,该团队设计了一种紧凑型EO梳,具有宽带宽和低功耗要求。与传统的非谐振微波设计相比,新的梳状设计通过谐振增强的电光相互作用和LiTaO3中双折射的降低,实现了4倍梳状跨度扩展和16倍功率降低。
二、实验结果与性能表现
在实验中,新梳状设计的光谱覆盖范围超过450nm(超过60太赫兹),梳状线超过2000条,超出了当前EO频率梳技术的极限。梳状物可在90%的自由光谱范围内实现稳定运行,无需复杂的调谐机制。该设备使用简单的自由运行分布式反馈激光二极管进行操作,使其比克尔孤子梳更容易使用。此外,研究人员发现,强EO耦合可增加梳状物的存在范围,接近光学微谐振器的全部自由光谱范围。
三、研究意义与应用前景
该研究成功研发的新型EO频率梳集成设计,不仅显著扩展了频率梳的带宽,还大幅降低了其微波功率要求,为EO频率梳在多个领域的应用提供了新的可能性。其紧凑的尺寸和简单的操作方式,使其在需要精确激光测距的应用(如机器人技术)和精确传感至关重要的领域(如环境监测)中具有广阔的应用前景。此外,该团队用于共同设计微波和光子学的方法还可以扩展到一系列集成EO应用,为下一代设备的研发提供了新的思路。
未来,研究人员将继续探索该技术的潜力,进一步优化集成设计,提高性能,并推动其在更多领域的应用。这一新型EO频率梳集成设计的成功研发,为光学频率梳技术的发展注入了新的活力,有望在多个领域引发新的技术变革。
该研究发表在《自然》杂志上。
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